随着信息化，自动化工业的迅速发展，机器人在物流作业中发挥重要作用，正在逐步取代人工作业和半自动化的传统物流签收环节。本文以高校内快递站的物流终端为背景，介绍了基于RFID定位系统的快递机器人，结合快递站内室内环境构建的模拟地图，研究求出室内机器人运动位置的算法。改进的RSSI衰减传播模型能进一步提高RFID定位的精确度，三维空间定位法突破二维空间定位的局限，对研究RFID的室内定位算法提供支持。 1 绪论 1.1 课题研究意义 大学生是快递消费的主力军，占中国网购消费人群的42.7%（李文浩,杨凯全,陈佳乐.哈尔滨高校校园快递最后一公里配送模式研究[J].山西建筑,2018,44(32):43-44）。高校物流的签收阶段，关乎到高校电子商务物流的服务质量和客户满意度。以某大学为例，校内设立了以客户自提为签收方式的快递驿站。是将不同物流公司的快递整合后分摆在货架上，通知取件人前来取件签收。这种模式在前往货架取件和排队签收上浪费了过多的时间。 RFID定位手段与室内模拟地图的构建可以实现对快递机器人所在货架位置的全程跟踪与监视，当机器人偏离规定路线时，实现自动改变运动方向，回到正确路径。收件人签收时，只需要输入快件提货码，机器人系统便通过上位机获得快递所在的货架信息，采用RFID定位快速到达对应货架区，再由机器人系统实现运动控制，取出快递并快速运送到指定签收窗口。 由此可以看出，快递机器人代替客户前往货架上取出快递可以省时省力地完成签收环节。 1.2 RFID定位技术及系统介绍 RFID(Radio Frequency Identif ication)射频识别技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，俗称电子标签。RFID利用射频信号通过空间耦合实现无接触的双向通信并进行信息传递达到识别目的，根据所接收的信号强度计算出待定标签目标相对的集合位置信息。 机器人RFID定位系统主要由PC机、RFID阅读器、天线、电子标签组成。 图1 系统组成框架图 RFID系统阅读器为DSR-M01读卡模块评估板，带有IPX接口天线。该开发板采用IEEE 802.15.4无线标准协议，可读写2.4GHz的电子标签，从数据流中提取标签ID，查询在电子标签在快递站内的位置。 系统采用DST-28远距离电子标签（主动式），发射功率为4.5dBm，频率为2.4GHz，发射距离为0.2～100m，具有内部电源供应器以产生对外的讯号，每秒发送一次标签信息，工作时间不少于两年。拥有防护等级IP44，长距离识别，适时跟踪，不受剧烈湿度、温度的变化影响等特性，但对室内环境冲击较为敏感。 2 基于RFID定位的算法研究 本机器人RFID定位系统采取的定位方法有基于测距的Fang算法（彭帮旭.基于WIFI/RFID定位的大型地下停车场寻车路径规划研究[D].河南科技大学,2019），这种算法需要先采用TOA、RSSI方法（李红云.基于Android平台的RFID智能导游点名系统设计与实现[D].云南师范大学,2015）进行测距和信息的获取，本系统采用改进的RSSI衰减传播模型，并通过计算基于Fang算法的三维定位法来测得机器人的位置。 2.1 RSSI的衰减传播模型 基于接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication)是在RFID领域应用得最多的基本定位方法（孟强,徐慧.基于RFID的定位技术[J].电脑知识与技术:学术交流,2013(1):158-161），原理是根据所测得信号的强度来判断阅读器天线到标签之间的距离，进而根据相应数据进行定位计算。 无线信号接收功率Pr和发射功率Pt之间的关系由如下表示： 对式(2-1)两边取对数，并将已知的发射功率代入得： 由式(2-1)、(2-2)可知，RSSI测距中，r为天线接收端与标签发射端之间的距离，n为依据无线信号的传播环境而定的传播因子，n会因为传输过程中信号的反射，衰减，多径效应而受到干扰，是不可避免的。r0为参考距离，一般设为1m，即P(r0)的值为距离为1m时的接收端的信号功率值。通过对P(r0)值与n值的反复测量计算，我们可以得到P(r)的标定值，即信号传输距离与接受信号强度之间的关系。 对RFID信号传播的模型进行分析和研究发现，P[rB]可以用来表示预测信号在室内环境下特定路径随距离增加而平均衰减的传播模型，即路径损耗模型，确定了位置后，便可由阅读器与标签之间的距离r计算路径损耗（李文浩,杨凯全,陈佳乐.哈尔滨高校校园快递最后一公里配送模式研究[J].山西建筑,2018,44(32):43-44）。 这里是均值为0，标准差为σ的正态随机变量，也称阴影衰落，与传播距离无关。参考距离r0此时可设为1或0.5m。路径损耗模型可适用于更细微距离的计算，能精确反映信号在室内环境下的路径损耗，进一步地提高RFID定位的精确度。 2.2 基于Fang算法的三维空间定位法 Fang算法是利用二维空间坐标的算法（彭帮旭.基于WIFI/RFID定位的大型地下停车场寻车路径规划研究[D].河南科技大学,2019），本系统研究了基于Fang算法的三维空间定位法，以求在空间内运动的标签位置，由此确定机器人的定位。 我们先在室内的二维模拟地图的三个墙角分别放置一个电子标签。假设这三点的位置分别为，RFID定位阅读器的位置信息为(X4, Y4)且不在x-y平面内，分别对应二维模拟地图中的A、B、C、D四点，设机器人身上携带的电子标签为(x, y)。 本系统结合快递站室内环境构建的二维模拟地图如图2所示。 图2 二维模拟地图 由TOA定位法（樊林.基于RFID的室内物联网定位系统设计与实现[D].电子科技大学,2015）可知计算阅读器与标签之间直线距离算法可知： 图3所示为D点对B点建立的三维空间坐标系图，以供空间中D点对机器人位置关系的参照。 图3 三维空间坐标系图(以B点为例) RFID定位阅读器D点与机器人身上携带的电子标签之间的距离设为R4,1，斜率为c，在x-y平面的直线距离为d，则： 得计算公式如下： 对方程组线性处理可得方程： 设Z4= x2+ y2，可将线性方程化简为： 消去R1，得到： 式(2-9)中g、h可以表示为： 由式(2-7)、(2-8)、(2-9)、(2-10)可得最终的关系式如式(2-11)所示： 式(2-11)中d、e、f可以表示为： 在室内的实际运用中，为了方便计算，各点坐标的单位取值为1m，得知墙角三点及阅读器坐标的情况下，只需对式(2-9)、(2-11)中的x进行求解，代入对应公式便可求得相对应的y值，则求得在机器人身上携带的第四个电子标签的运动位置(x, y)。 2.3 实际测量 根据RSSI定位方法，经过反复测量，得出3个标定值如表1所示： 表1信号强度测量值P(r0)1 0m -22dBm 2 0.5m -32dBm 3 1m -42dBm 此时将数据结合RSSI的衰减传播模型分析，当标签与阅读器距离为5m时，可得信号强度P(r0)为-60dBm。 采用基于Fang算法三维空间定位法对系统进一步需求分析，可先将阅读器放置在100m2的室内地面中心，根据测量，三点的标签距阅读器的距离分别为5.75m、5.75m、5.24m，天线放置在垂直高度为2m的位置，即A、B、C、D四点坐标分别为(0，0)、(9.78，0)、(9.78，5.02)、(4.89，2)，此时，若机器人运动到阅读器下，即对机器人指定的x运动距离则为4.89，就能计算出的机器人当前所在坐标位置为(4.89，3.02)。则在实际的工作中，读取的平均距离为17m左右，适用于覆盖100m2、高为2m的室内货架区域。不同的情况可根据实际的需求来设计在1～100m信号接收范围内的室内定位区域。 3 结语 采用RSSI衰减传播模型和三维空间定位法，能进一步提高RFID定位的精确度，对研究RFID的室内定位算法提供支持。本系统基本RFID定位系统的机器人研究，有较好的实用性，但也存在一些问题，以期日后有更进一步的研究与改进。比如更加着力于改进基于RFID定位技术的算法，提高复杂传播信号的精确度。鉴于当前系统的简单功能，后期也可以结合货架端设计更多的交互环节，进行更多快递数据的实时监控和机器人在运送流程中的操控管理。 随着信息化，自动化工业的迅速发展，机器人在物流作业中发挥重要作用，正在逐步取代人工作业和半自动化的传统物流签收环节。本文以高校内快递站的物流终端为背景，介绍了基于RFID定位系统的快递机器人，结合快递站内室内环境构建的模拟地图，研究求出室内机器人运动位置的算法。改进的RSSI衰减传播模型能进一步提高RFID定位的精确度，三维空间定位法突破二维空间定位的局限，对研究RFID的室内定位算法提供支持。1 绪论1.1 课题研究意义大学生是快递消费的主力军，占中国网购消费人群的42.7%（李文浩,杨凯全,陈佳乐.哈尔滨高校校园快递最后一公里配送模式研究[J].山西建筑,2018,44(32):43-44）。高校物流的签收阶段，关乎到高校电子商务物流的服务质量和客户满意度。以某大学为例，校内设立了以客户自提为签收方式的快递驿站。是将不同物流公司的快递整合后分摆在货架上，通知取件人前来取件签收。这种模式在前往货架取件和排队签收上浪费了过多的时间。RFID定位手段与室内模拟地图的构建可以实现对快递机器人所在货架位置的全程跟踪与监视，当机器人偏离规定路线时，实现自动改变运动方向，回到正确路径。收件人签收时，只需要输入快件提货码，机器人系统便通过上位机获得快递所在的货架信息，采用RFID定位快速到达对应货架区，再由机器人系统实现运动控制，取出快递并快速运送到指定签收窗口。由此可以看出，快递机器人代替客户前往货架上取出快递可以省时省力地完成签收环节。1.2 RFID定位技术及系统介绍RFID(Radio Frequency Identif ication)射频识别技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，俗称电子标签。RFID利用射频信号通过空间耦合实现无接触的双向通信并进行信息传递达到识别目的，根据所接收的信号强度计算出待定标签目标相对的集合位置信息。机器人RFID定位系统主要由PC机、RFID阅读器、天线、电子标签组成。图1 系统组成框架图RFID系统阅读器为DSR-M01读卡模块评估板，带有IPX接口天线。该开发板采用IEEE 802.15.4无线标准协议，可读写2.4GHz的电子标签，从数据流中提取标签ID，查询在电子标签在快递站内的位置。系统采用DST-28远距离电子标签（主动式），发射功率为4.5dBm，频率为2.4GHz，发射距离为0.2～100m，具有内部电源供应器以产生对外的讯号，每秒发送一次标签信息，工作时间不少于两年。拥有防护等级IP44，长距离识别，适时跟踪，不受剧烈湿度、温度的变化影响等特性，但对室内环境冲击较为敏感。2 基于RFID定位的算法研究本机器人RFID定位系统采取的定位方法有基于测距的Fang算法（彭帮旭.基于WIFI/RFID定位的大型地下停车场寻车路径规划研究[D].河南科技大学,2019），这种算法需要先采用TOA、RSSI方法（李红云.基于Android平台的RFID智能导游点名系统设计与实现[D].云南师范大学,2015）进行测距和信息的获取，本系统采用改进的RSSI衰减传播模型，并通过计算基于Fang算法的三维定位法来测得机器人的位置。2.1 RSSI的衰减传播模型基于接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication)是在RFID领域应用得最多的基本定位方法（孟强,徐慧.基于RFID的定位技术[J].电脑知识与技术:学术交流,2013(1):158-161），原理是根据所测得信号的强度来判断阅读器天线到标签之间的距离，进而根据相应数据进行定位计算。无线信号接收功率Pr和发射功率Pt之间的关系由如下表示：对式(2-1)两边取对数，并将已知的发射功率代入得：由式(2-1)、(2-2)可知，RSSI测距中，r为天线接收端与标签发射端之间的距离，n为依据无线信号的传播环境而定的传播因子，n会因为传输过程中信号的反射，衰减，多径效应而受到干扰，是不可避免的。r0为参考距离，一般设为1m，即P(r0)的值为距离为1m时的接收端的信号功率值。通过对P(r0)值与n值的反复测量计算，我们可以得到P(r)的标定值，即信号传输距离与接受信号强度之间的关系。对RFID信号传播的模型进行分析和研究发现，P[rB]可以用来表示预测信号在室内环境下特定路径随距离增加而平均衰减的传播模型，即路径损耗模型，确定了位置后，便可由阅读器与标签之间的距离r计算路径损耗（李文浩,杨凯全,陈佳乐.哈尔滨高校校园快递最后一公里配送模式研究[J].山西建筑,2018,44(32):43-44）。这里是均值为0，标准差为σ的正态随机变量，也称阴影衰落，与传播距离无关。参考距离r0此时可设为1或0.5m。路径损耗模型可适用于更细微距离的计算，能精确反映信号在室内环境下的路径损耗，进一步地提高RFID定位的精确度。2.2 基于Fang算法的三维空间定位法Fang算法是利用二维空间坐标的算法（彭帮旭.基于WIFI/RFID定位的大型地下停车场寻车路径规划研究[D].河南科技大学,2019），本系统研究了基于Fang算法的三维空间定位法，以求在空间内运动的标签位置，由此确定机器人的定位。我们先在室内的二维模拟地图的三个墙角分别放置一个电子标签。假设这三点的位置分别为，RFID定位阅读器的位置信息为(X4, Y4)且不在x-y平面内，分别对应二维模拟地图中的A、B、C、D四点，设机器人身上携带的电子标签为(x, y)。本系统结合快递站室内环境构建的二维模拟地图如图2所示。图2 二维模拟地图由TOA定位法（樊林.基于RFID的室内物联网定位系统设计与实现[D].电子科技大学,2015）可知计算阅读器与标签之间直线距离算法可知：图3所示为D点对B点建立的三维空间坐标系图，以供空间中D点对机器人位置关系的参照。图3 三维空间坐标系图(以B点为例)RFID定位阅读器D点与机器人身上携带的电子标签之间的距离设为R4,1，斜率为c，在x-y平面的直线距离为d，则：得计算公式如下：对方程组线性处理可得方程：设Z4= x2+ y2，可将线性方程化简为：消去R1，得到：式(2-9)中g、h可以表示为：由式(2-7)、(2-8)、(2-9)、(2-10)可得最终的关系式如式(2-11)所示：式(2-11)中d、e、f可以表示为：在室内的实际运用中，为了方便计算，各点坐标的单位取值为1m，得知墙角三点及阅读器坐标的情况下，只需对式(2-9)、(2-11)中的x进行求解，代入对应公式便可求得相对应的y值，则求得在机器人身上携带的第四个电子标签的运动位置(x, y)。2.3 实际测量根据RSSI定位方法，经过反复测量，得出3个标定值如表1所示：表1信号强度测量值P(r0)1 0m -22dBm 2 0.5m -32dBm 3 1m -42dBm此时将数据结合RSSI的衰减传播模型分析，当标签与阅读器距离为5m时，可得信号强度P(r0)为-60dBm。采用基于Fang算法三维空间定位法对系统进一步需求分析，可先将阅读器放置在100m2的室内地面中心，根据测量，三点的标签距阅读器的距离分别为5.75m、5.75m、5.24m，天线放置在垂直高度为2m的位置，即A、B、C、D四点坐标分别为(0，0)、(9.78，0)、(9.78，5.02)、(4.89，2)，此时，若机器人运动到阅读器下，即对机器人指定的x运动距离则为4.89，就能计算出的机器人当前所在坐标位置为(4.89，3.02)。则在实际的工作中，读取的平均距离为17m左右，适用于覆盖100m2、高为2m的室内货架区域。不同的情况可根据实际的需求来设计在1～100m信号接收范围内的室内定位区域。3 结语采用RSSI衰减传播模型和三维空间定位法，能进一步提高RFID定位的精确度，对研究RFID的室内定位算法提供支持。本系统基本RFID定位系统的机器人研究，有较好的实用性，但也存在一些问题，以期日后有更进一步的研究与改进。比如更加着力于改进基于RFID定位技术的算法，提高复杂传播信号的精确度。鉴于当前系统的简单功能，后期也可以结合货架端设计更多的交互环节，进行更多快递数据的实时监控和机器人在运送流程中的操控管理。

文章来源：全球定位系统 网址: http://qqdwxt.400nongye.com/lunwen/itemid-22485.shtml

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